两种储热式真空管集热器管中心距 与能量收益关系的研究 葛洪川 (北京市太阳能研究所) 摘 要 本文对具有圆形和半圆形吸收涂层的储热式真空管的日、年能量收益，以及由上述两种真空管组成的太 阳骆集熟器管中心距与骆量收益的关系进行了研究，给出两种真空管日，年能量收益和两种集热器不同管中心距 在各种纬度和倾角下集热器日能量收益及其年变化规律。根据结果得出：在无遮挡时t圆形吸收涂层管比半圆形吸收涂 层管年能量收益提高9％。当圆形吸收涂层管的中心距等于2倍曾径、半圆形吸收涂层管的中心距等于1．3倍管径 时，可得到元遮挡时年能量收益的9s％。 关键词真空集热管能量收益管中心距 l 引言 目前，世界各国已经研制开发出多种结构的储热式真空管太阳能集热器。储热式真空管是将集热器与储 水箱合为一体，它由大口径玻璃外管和圆柱形金属吸热体组成，具有管内储水量大和具有防冻特性j金属吸 热体具有承压能力大、耐热冲击性能好的优点；可将多支真空管组装成为一台集热器。 日本NEG公司生产的储热式真空管是在圆柱形吸热管的外表面涂有选择性吸收涂层(圆涂层管)。中 德合资的北京桑达太阳能技术公司生产的储热式真空管，考虑到减少热损和简化工艺等因素，采用在圆柱形 吸热管外表面上半圆涂有选择性吸收涂层，下半圆则为镀铝层结构(半圆涂层管)。图1中给出两种涂层分布 储热式真空管的截面图。 本文将对直径为100mm的玻璃罩管内具有半圆吸收涂层 和圆吸收涂层的单支储热式真空集热管在特定条件下的日、年 管 能量收益及由以上两种真空管组成的集热器真空管之间的相互 遮挡对能量收益的影响进行定量分析，其结果也适用于对其他 规格的真空集热管的定性分析。为使讨论中问题不过于复杂，假 层 设半圆涂层管背面的镀铝层不吸收热量。 圆形吸收涂层管 半圆形吸收涂层管 2 计算模型与方法 图1两种椽层分布储热式真空营的截面图 一 文献(1]提出了真空集热管吸热板表面上相对太阳辐照强 度和能量收益因子的概念，给出具有圆柱形吸热板上某点相对太阳辐照强度的测量结果。太阳辐射中包含有 直射辐射和漫射辐射。在晴天，到达地面的太阳辐射中的直射辐射约占90％，漫射辐射仅占10％；而在阴天 到达地面的太阳辐射可能都是漫射辐射。由于漫射辐射在总辐射中所占的比例不确定，光线来自四面八方 (各向同性)，故在研究由于遮挡造成的能量收益变化时，直射辐射更重要。本文只考虑直射辐射。 真空管集热器的能量收益因子，可定义为 f—fR(7，妒)a(03ds 热体受光表明上进行的。 文献[1)测定的真空集热管内不一样的形状吸热体表面的相对太阳辐照强度包括了玻璃罩管的反射、吸收、 透过以及吸热体与玻璃盖层间多次反射等各种影响因素。对于与实测相对太阳辐照强度时所用吸热板的吸 一120一 收率值差别不大的吸热体，可以认为其相对太阳辐照强度基本相同。 尽管部分光线透过玻璃管内壁后不再平行于入射光线，但为了不使计算过于复杂，假设太阳光线透过玻 璃罩管后并不改变方向。为便于比较，不同吸热体受光面积都换算为单位长度的玻璃罩管内圆吸收涂层管 的直径。由定义和假设可计算出单支半圆和圆吸收涂层真空管及组成真空管集热器后两种真空管集热器的 能量收益因子。为了使计算和比较工作能够采用一个统一的方法，本文选用了Jordan提出的晴天辐射模 型“3。在晴天，直射辐射对于两种吸热体集热器管中心距与能量收益的关系影响大；如果在阴天，由于天空中 的漫射辐射是各向同性的，此时漫射辐射对于管中心距与能量收益的关系影响不大。 在北纬25a，40。和55。处对倾角与纬度相同，朝南放置的两种形状吸收涂层真空集热管及由其组成的集 热器的管中心距与日能量收益及其年变化的关系进行了研究。计算中只考虑直射辐射的能量收益，而且只有 当光线。时才开始累计得热。 3计算结果与讨论 表1给出位于纬度40。处、朝南放置倾角为40。的两种吸收涂层真空管在无遮挡的情况下，一年中春分、 夏至、秋分和冬至日的日能量收益及其比值。能够准确的看出，四日的能基收益不同，以春分日为最大，冬至日为最 小，但夏至日和冬至日圆形吸收涂层管比半圆形吸收涂层管的日能量收益分别高出15％和3％。且圆形吸收 涂层管比半圆形吸收涂层管的年能量收益高9％。 衷1四日能■收益殛其比值 计算根据结果得出，两种吸收涂层真空管集热器一年对应四日的能量收益均随纬度增大而减小。低纬度一年 四日能量收益随管中心距的增大而增加，高纬度一年四日能量收益随管中心距增大的增加量比低纬度小。圆 形吸收涂层管比半圆形吸收涂层管能量收益随管中心距增大的增加量大。 由图2可见，管中心距对圆形吸收涂层真空管组成的集热 器影响大，在所有情况下年能量收益均随管中心距的增大而增 加。而对于半圆形吸收涂层管当间距大于2倍管径时，年能量收 益随管间距的增大变化不明显，增加管中心距无意义。高纬度地 区管中心距加大年能量收益的增加量不大。低纬度地区加大管 中心距能量收益的增加量大于高纬度地区。 圆形吸收涂层管在管中心距等于2倍管径时，可得到管中 心距为无穷大时年能量收益95％。而半圆形吸收涂层管在管中 心距等于1．3倍管径时，可得到管中心距为无穷大时年能量收 益95％。 4结论 (1)文献[1]提出的真空集热管内不一样的形状吸热体上各点图2两种吸收涂层真空管集热器在不同纬度 相对太阳辐照强度和能量收益因子概念，及在此基础上建立的 兰芋竺苎竺苎度真空管年能量收益随管 甲。距明蹙化 真空管日能量收益的计算模型，为研究真空集热管热性能提供 了新途径，使得深入进行定量分析真空管的热性能成为可能。 (2)根据结果得出：在无遮挡时，圆形吸收涂层管比半圆形吸收涂层管年能量收益高9％。当圆形吸收涂层管 中心间距等于2倍管径、半圆形吸收涂层管中心间距等于1．3倍管径时，可得到管无遮挡时年能量收益的
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